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石墨烯在锂离子电池负极材料的应用
更新时间: 2022-01-06 15:01:43 访问次数: 0

    石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料,具有良好的导电性能和倍率性能,在锂离子电池正极材料和负极材料领域极具应用潜力。石墨烯锂电池负极材料的高导电性、高导热性、高比表面积、等诸多优良特性,一定程度上对解决该问题有着非常重要的理论和工程价值。


石墨烯在用作锂离子电池正负极材料方面具有以下优势:

1)石墨烯具有超大的比表面积(2630m2/g),可降低锂电池极化,从而减少因极化造成的能量损失。

2)石墨烯具有优良的导电和导热特性,即具备良好的电子传输通道和稳定性。

3)石墨烯片层的尺度在微纳米量级,远小于体相石墨的,这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径缩短;片层间距的增大也有利于Li+的扩散传输,有利于锂离子电池功率性能的提高。


石墨烯在锂电池负极材料中可能的应用领域


1、石墨烯单独用于负极材料;

2、与其它新型负极材料,比如硅基和锡基材料以及过渡金属化合物形成复合材料;

3、负极导电添加剂。


    对于锂电的负极材料而言,过渡金属氧化物或具有前景的Si基材料进行石墨烯掺杂后在比容量、电压特性、内阻、充放电性能、循环性能、倍率性能等电化学性能方面已经表现出了优异的特性。


石墨烯基中杂原子掺杂引入了更多的表面缺陷,提高石墨烯材料的电导率,得复合材料拥有更优良的性能。锂电正极材料类似,引入石墨烯材料到锂离子电池正极材料系统可以提高正极材料的电导率,保护正极材料避免粉化、崩塌,抑制正极材料的溶解。


石墨烯电池是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜,亦即只有一个碳原子厚度的二维材料。相比其他炭材料如碳纳米管,石墨烯具有独特的微观结构,这使得石墨烯具有较大的比表面积和蜂窝状空穴结构,具有较高的储锂能力。此外,材料本身具有良好的化学稳定性、高电子迁移率以及优异的力学性能,使其作为电极材料具有突出优势。


石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合,能利用石墨烯的特殊片层结构,改善材料的力学性能和电子传输能力。同时,掺杂后的石墨烯片层间距增大,提供更多的储锂空间。


此外,石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料,这类材料具有高理论容量,但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。


从上面的分析可以很清楚地看到,石墨烯在锂离子电池里面可能发挥作用的领域只有两个:直接用于负极材料和用于导电添加剂。石墨烯或者石墨烯复合材料实际用于锂电负极的可能性很小产业化前景渺茫。


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